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Peter Wade Higgs, géant de la physique des particules, s’est éteint à son domicile d’Édimbourg le 8 avril 2024, après avoir vécu 94 ans. Son héritage inégalé, incarné par la découverte du boson de Higgs, continue de façonner profondément l’avenir de la physique des particules comme aucune autre découverte ne l’a fait auparavant. Voici l’histoire de son héritage.
Lorsque Higgs est né en 1929, notre compréhension de la matière était complètement différente. Les physiciens avaient élaboré un modèle simple de la matière avec trois particules fondamentales ou élémentaires (celles qui ne peuvent pas être décomposées en particules plus petites).
Il s’agissait des protons, qui existent dans les noyaux des atomes, des électrons, qui entourent les protons, et des photons, des paquets de lumière responsables d’une force de la nature appelée force électromagnétique.
Du vivant de Higgs, une révolution étonnante allait se produire, culminant avec la création du modèle standard de la physique des particules, le cadre le plus abouti de l’histoire pour la compréhension des éléments constitutifs de l’univers.
Higgs fournira le cœur de cette théorie. Pour comprendre l’importance du travail de Higgs, il est nécessaire de comprendre le puzzle que la nature a posé aux physiciens, en commençant par la découverte du neutron en 1932.
Le neutron est une particule subatomique, partenaire neutre du proton, mais légèrement plus lourd. S’il est arraché au noyau atomique, un neutron se désintègre en proton et en électron en une dizaine de minutes.
Pour expliquer cette désintégration, il a fallu créer une nouvelle force et une nouvelle particule (appelée “porteur de force”). Le nouveau vecteur de force devait être plusieurs fois plus lourd que le neutron et le proton, ce que la théorie dominante ne pouvait pas expliquer.
Selon cette théorie, les porteurs de force devaient être sans masse. C’était le cas du porteur de la force électromagnétique, le photon. Les physiciens appellent cette caractéristique de la théorie une symétrie.
En physique, les théories plus symétriques ont moins de paramètres libres, c’est-à-dire moins de parties de la théorie qui peuvent être modifiées. Un paramètre supplémentaire, tel que la masse d’un porteur de force, rendrait la théorie incohérente.
Les physiciens savaient que certaines particules avaient une masse, mais ils ne pouvaient pas l’expliquer. Ils devaient trouver le bon moyen de briser, ou de surmonter, la symétrie de cette théorie, en donnant aux particules une masse d’une manière compatible avec tout ce que l’on sait des lois de la nature. À l’époque où Higgs a commencé à travailler sur ses idées, dans les années 1960, la question de savoir comment les particules élémentaires acquéraient une masse était une question centrale en physique.
Peter Higgs a partagé le prix Nobel de physique 2013 pour ses travaux.
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Au début des années 1960, le physicien américain Phil Anderson a remarqué que la symétrie problématique de cette théorie pouvait être surmontée dans les supraconducteurs (un matériau qui conduit l’électricité avec une résistance nulle) ou dans un gaz chargé appelé plasma. Cependant, pour une théorie qui devrait expliquer la masse, une solution viable ne pouvait pas dépendre d’un milieu ou d’un matériau spécifique.
Plus tard, Higgs et d’autres théoriciens ont développé un modèle qui a surmonté cette difficulté. Les autres physiciens étaient Gerald Guralnik, Carl Hagen, Tom Kibble, Robert Brout et François Englert. Englert partagera le prix Nobel de physique 2013 avec Higgs.
Rétrospectivement, l’idée est simple : un champ de fond imprègne tout l’espace, créant le type de milieu pour lequel l’idée d’Anderson fonctionnait. Higgs a publié son premier article sur le sujet en 1964. En 1966, il a été le premier à prédire que ce “champ de Higgs” devait s’accompagner d’une “particule de Higgs”. Si elle était découverte, elle prouverait que le modèle standard est une théorie cohérente de la nature.
Pourtant, la recherche du boson de Higgs s’est avérée extraordinairement difficile. Higgs lui-même pensait que la question ne serait pas résolue de son vivant. Il a fallu près de 50 ans et la plus grande expérience jamais construite, le Grand collisionneur de hadrons (LHC) au Cern, pour découvrir enfin le boson de Higgs. Le 4 juillet 2012, des images de Higgs, ému aux larmes par l’annonce, ont fait le tour du monde.
Le modèle standard de la physique des particules.
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Notre univers est fondamentalement façonné par les propriétés uniques du boson de Higgs. À l’instar des états solide, liquide et gazeux de la matière, le champ de Higgs correspond à une phase de l’univers qui peut être déterminée en mesurant la manière dont le boson de Higgs interagit avec d’autres particules.
Au cours de la décennie qui a suivi sa découverte, un grand nombre de ces interactions ont été observées au LHC. Ces résultats ont soulevé de nouvelles questions. La stabilité de l’univers – sa capacité à persister plus ou moins éternellement dans son état actuel – semble dépendre de la masse et des interactions du boson de Higgs.
Si les mesures actuelles de cette particule sont correctes, l’univers n’est pas stable dans son état actuel. Cela signifie qu’il pourrait éventuellement subir une transition vers une autre forme. Les réponses que nous apporterons à cette question pourraient démontrer que le modèle standard est erroné.
Les physiciens veulent également savoir si le champ de Higgs explique réellement toutes les masses des particules élémentaires, comme le prévoit le modèle standard. Pour de nombreux bosons de Higgs produits au LHC, nous ne savons pas en quelles autres particules ils se désintègrent. Si nous le pouvions, nous pourrions tester des théories plus spéculatives liées à la matière noire ou d’autres théories au-delà du modèle standard.
Pour répondre à ces questions, l’Europe, les États-Unis et la Chine ont proposé des plans de construction de nouveaux collisionneurs de particules axés sur l’étude du boson de Higgs. L’héritage de Higgs sera le programme expérimental de physique des particules du 21e siècle.
Higgs était un physicien d’une autre époque. Il serait impensable aujourd’hui qu’une personne ayant publié autant d’articles puisse rester dans le monde universitaire. Il n’a publié qu’une poignée d’articles, dont la quasi-totalité a été rédigée par lui seul. La culture universitaire d’aujourd’hui crée une concurrence féroce et une pression pour publier fréquemment.
Higgs l’a reconnu lors d’une interview en 2013 : “Il est difficile d’imaginer comment je pourrais un jour avoir assez de paix et de tranquillité dans le climat actuel pour faire ce que je faisais en 1964… Aujourd’hui, je n’obtiendrais pas de poste universitaire… Je ne pense pas que je serais considéré comme suffisamment productif.”
Ceci devrait être considéré comme un avertissement. Les percées nécessitent de consacrer du temps à la lecture et à l’étude de travaux menés dans d’autres domaines, comme le temps que Higgs a passé à comprendre les travaux d’Anderson. Elles nécessitent que les universités créent des environnements qui donnent la priorité au temps consacré à la recherche, plutôt que de placer les chercheurs dans des positions précaires dépendant de la recherche constante de subventions.
Il serait tout à fait approprié que l’héritage de Peter Higgs, qui a transformé notre compréhension de la physique des particules, transforme également notre approche de la recherche.
Martin Bauer ne travaille pas, ne consulte pas, ne possède pas de parts et ne reçoit pas de financement d’une entreprise ou d’une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n’a révélé aucune affiliation pertinente en dehors de son poste universitaire.
